手持机械式花椒采摘机的分析探究

郭文杰 李彦荣 安建军

摘 要：花椒用途广泛，需求量大，市场前景广阔。现以“花椒产业省力化栽培技术研究”课题为依托，通过各种花椒采摘机械的动力性能、结构特点、机构传动特性、安全防护、过载保护、壳体尺寸、生产成本等进行比较分析，提出改进优化措施，以期实现高效、省力、节能、便携的目标。

关键词：花椒采摘机；动力性能；机构特点；节能高效

中图分类号：S225 文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.04.003

0 引言

花椒既可做调味料，亦可提取芳香油，又可入藥。花椒因其耐干旱、对土壤条件要求不高，病虫害少，无需精心管理，且收益可观，花椒在我国诸多地域广为栽植，且其主产区不断扩大，呈现良好发展态势。2016年，仅甘、陕、川三省栽植面积已逾800万亩。2017年，全国花椒需求量为70万t左右，增幅连年攀升，随着市场需求的不断增长，花椒栽培逐渐向规模化、专业化方向迅猛发展。

1 花椒配套机械

市场所需的花椒产品不但要求品相好、色泽鲜、纯度高，麻香适中，而且对应季采摘、上市效率及整体品质的稳定性也提出了更高的要求。随着科技的不断进步，与花椒产业配套的机械化采摘设备代替了人工手摘，干燥设备取代了传统的晾晒方式。移栽机械、分选设备、包装设备等也应运而生。

2 花椒采摘机械

花椒枝干高，茎干、小枝生有短刺，果实娇小，传统的采摘方式为人工单手采摘，操作难度大，劳动强度高，采摘效率低。目前市场推出了机械式、负压吸收式、电磁采摘等不同款式、性能各异的花椒采摘机。虽然相对于人工单手采摘效率有所提升，但仍存在诸多缺憾与不足，亟待改进。手持单机式花椒采摘机是目前广为使用的采摘机械，并且向轻盈高效、智能化、自动化、标准化、规模化方向逐渐迈进。提升花椒采摘机械化水平已成为花椒产业发展的首要任务。

3 比较分析

现以金手指牌电动花椒采摘机与孙老师牌花椒采摘机两个品牌五种机型为例，进行比较分析，并提出改进措施。

3.1 动力性能

直流电源和直流电机是花椒采摘机械的动力来源。两种手持机械式花椒采摘机普遍采用的原动机为直流电机。花椒实际采摘中，直流电源要求充电快，体积小，容量大，工作持续时间长，更换便捷。电机力求体积小、能耗低、转速慢（电源与原动机参数配置见下表），二者动力性能相差不大，相较之下，金手指牌电动花椒采摘机整个机械浑然一体，具有质量轻，结构紧凑，拆装方便，便于携带的优点，但电池难以更换，且动力不足，采摘速度慢。孙老师牌花椒采摘机电源与机械各自分离，虽不便携带，但电源易于更替，动力强劲，持续工作时间长，采摘速度较高。

3.2 结构特点及机构传动特性

3.2.1 金手指牌手持电动花椒采摘机

金手指牌三种类型手持电动花椒采摘机均采用蜗杆传动进行减速增扭，结构紧凑。且为单头蜗杆，传动比为45，传动平稳，且自锁性良好。涡轮与蜗杆间为滑动摩擦，发热量大，磨损严重，且减速机构材质采用工程塑料，润滑脂加注不便，极大地降低了其使用寿命。三种类型的刀具运动机构都由蜗轮、连杆、刀具动刀片组成。单面剪刀形采摘机的刀具运动采用曲柄摇块机构，且动力臂长于阻力臂，增大了剪切效果。双面固定剪刀形工作原理与单面剪刀形相同（见图1），只是增加了一个定刀片，起到安全保护作用。锯齿形双面四刀口采摘机由蜗轮、连杆、刀具动刀片组成以定刀片为移动导路的对心曲柄滑块机构（见图2），刀具行程13 mm，曲柄滑块机构在极限位置存在死点，且塑料蜗轮转动惯量小，无法利用惯性越过死点，必然要消耗一定电能，利用电机驱动越过死点位置，能耗增大。材质改成钢制蜗杆和有色金属的蜗轮配对组成减摩性良好的滑动摩擦副，既利于散热，又使曲柄越过死点位置，并能延长使用寿命。若三种类型的采摘机在壳体设置油脂加注孔及螺塞，则结构更显合理。

3.2.2 孙老师牌花椒采摘机

双刀口（剪刀形）手枪形花椒采摘机直接利用直流电机驱动，由动刀片、连杆、偏心轮组成的曲柄摇杆机构，动定刀片间运用力矩原理（剪刀工作原理）进行切割，接触利用钢珠压紧动定刀片，并与壳体间构成滚动摩擦。但动定刀片之间间隙过小，摩擦阻力大，动力浪费严重。连杆与动刀片的连接为刚性连接，配合性质为大间隙配合，冲击力大，噪音大，摩擦阻力大，且装配不便。电机动力输出轴与塑制偏心轮间的紧定螺钉位置设置不合理，在动载荷作用下易产生裂纹。刀具处壳体均为斜面，且动定刀片用螺栓进行铰接，螺栓端面受力不均，安装不便，应合理设置凸台。建议连杆与动刀片利用铰链连接以减少磨损，紧定螺钉远离偏心轮端面，既能保证偏心轮与电机动力输出轴的同轴度，又不易使偏心轮开裂变形，且降噪节能。

锯齿形神锋六刀花椒采摘机则综合运用了曲柄摇杆机构与曲柄滑块机构（见图3），动力的传递与速度、方向的变换运用了直齿锥齿轮传动、直齿圆柱齿轮传动，且由锥齿轮、圆柱齿轮构成空间定轴轮系。各轮轴分别用滚动轴承支承，摩擦阻力小，启动灵敏，效率高，润滑简便，易于互换。曲柄滑块机构可实现往复切割，曲柄摇杆机构可实现摆动剪切，不但扩大了切割范围，而且极大地提升了采摘效率。锯齿形刀刃自励特性明显，结构设计也更趋于合理，美中不足的是刀具接触处摩擦阻力较大，壳体安装刀具处斜面仍采用螺栓铰接，未增设凸台。

4 安全防护及辅助设备

花椒的采摘既要效率高，又要纯净度高，对枝条叶片的损伤小。就纯净度而言，机械显然逊色于手工采摘，但机械采摘的效率却是手工无法比拟的，加之农村劳动力短缺，且采椒工雇用成本高，因而对花椒采摘机的安全性提出了更高的要求，既要有过载保护装置，又要具备安全防护措施。辅助设备包括果实收集装置等。

5 结语

花椒采摘机较之于手工采摘优势明显，既不伤手，亦不费力；提升了采摘速度，降低劳动强度；使用轻便安全，操作方便灵活；技术基本成熟，经济适用。但仍存在刀具材料易锈蚀，动力性不足，持续时间较短，动力浪费严重，结构设计不合理等诸多不足，需集中优势技术，研发质优价廉、智能多用的一体化花椒采摘机械。

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